聯(lián)合預(yù)報在組合地質(zhì)災(zāi)害隧道工程中的應(yīng)用

朱寶合， 戴亦軍， 鄭邦友， 劉 燦

(中國隧道建設(shè)有限公司，重慶 404100)

由于工程前期的地質(zhì)勘探工作受技術(shù)條件和經(jīng)濟條件的限制，導(dǎo)致地勘資料不夠詳盡，有時候會漏報嚴重的地質(zhì)災(zāi)害[1]。為了解決上述地質(zhì)災(zāi)害所帶來的施工風(fēng)險，避免突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保安全施工，目前普遍采用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對地下工程進行超前探測。由于每一種物探技術(shù)都有其各自的探測盲區(qū)，為了對開挖區(qū)段的不良地質(zhì)情況進行全面的探測，目前通常采用多種探測技術(shù)聯(lián)合預(yù)報的模式。由于單一的物探技術(shù)并不能對所有不良地質(zhì)體完成探測，就導(dǎo)致了聯(lián)合預(yù)報所采用的每種探測技術(shù)在施工的全過程都需要探測，以保證對不良地質(zhì)體探測的準確性；這種探測方式大大增加了探測的工作量以及探測成本，并且很大程度上影響了施工工期。

以正在施工的桃子埡隧道為工程背景,對目前比較先進的隧道地震電測(tunnel seismic electric prediction, TSEP)三維地震反射與震電效應(yīng)一體化綜合預(yù)報系統(tǒng)以及地質(zhì)雷達(ground penetrating radar, GPR)的聯(lián)合預(yù)報效果進行分析,謀求找到一種新的聯(lián)合預(yù)報模式,能最大程度地減小探測成本及探測工作量，以及最大程度地降低超前地質(zhì)預(yù)報工作對施工的影響。

1 工程地質(zhì)概況

該隧道工程最大埋深達到1 000 m，上覆第四系圖層分布零星，厚度較小，有碎屑地段的含碎石粉質(zhì)黏土以及可巖溶地段的黏土；下伏基巖主要有志留系下統(tǒng)龍馬溪組、志留系中統(tǒng)韓家店組、二疊系中統(tǒng)棲霞組-茅口組中度風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖。

區(qū)段受地殼運動、構(gòu)造及水流的綜合影響形成了復(fù)雜多樣的構(gòu)造侵蝕-溶蝕低中山地貌，施工巷道經(jīng)過區(qū)段地下水豐富，巖溶發(fā)育，巖體巖性較軟弱，巖體破碎，主要以中度和輕度風(fēng)化灰?guī)r為主，偶有夾層；區(qū)段內(nèi)斷層以楠木園斷層為主，并且存在多處小斷層破碎帶組合等?？傮w上施工區(qū)段地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖體完整性差，巖層富含地下水，施工風(fēng)險較高，施工條件較差。

2 兩種超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的理論基礎(chǔ)

2.1 GPR超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)原理

GPR是利用電磁波對不可見異常體及差異界面進行掃描，以確定其位置的一種物探技術(shù)[2]。該技術(shù)的基本原理就是電磁波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律及理論，發(fā)射天線T發(fā)出電磁波，在地下介質(zhì)中傳播時當其遇到異常地質(zhì)體時，有一部分電磁波反射,而另一部分波發(fā)生透射，最終設(shè)備會將所有反射信號以波形圖的形式記錄下來[3]。在電磁波傳播的過程中，當遇到節(jié)理裂隙不同的地層時，電磁波的相關(guān)可測參數(shù)會發(fā)生變化，因此可以根據(jù)波的傳播時間、振幅等數(shù)據(jù)對地層結(jié)構(gòu)進行推斷[4-5]。地質(zhì)雷達原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達原理Fig.1 Schematic diagram of geological radar

2.2 TSEP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)原理

TSEP三維地震反射與震電效應(yīng)一體化綜合預(yù)報系統(tǒng)是地震反射和震電效應(yīng)兩種物探理論的結(jié)合。

隧道地震反射法采用多波多分量高分辨率地震反射法,地震波在設(shè)計的震源點用小量炸藥激發(fā),當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗界面時。一部分地震波反射回來,一部分透射進入前方界面,反射的地震波信號被檢波器接收,通過軟件分析處理掌子面前方地質(zhì)信息[6-9]。超前地質(zhì)預(yù)報儀觀測圖如圖2所示。

圖2 超前地質(zhì)預(yù)報儀觀測圖Fig.2 On-site work diagram of the advanced geological forecaster

震電效應(yīng)產(chǎn)生機制主要是電阻效應(yīng)和流動電勢效應(yīng)，在初始平衡狀態(tài)下,巖石顆粒表面通常吸附負離子,在其周圍溶液的界面上則分布正離子,這樣便在固-液間形成了雙電層。當?shù)卣鸩ㄔ诘叵潞黧w飽和孔隙介質(zhì)中傳播時,帶電液體和骨架會產(chǎn)生非同相振動,引起孔隙液體與固體骨架的相對運動,導(dǎo)致電荷密度發(fā)生波動,從而使孔隙流體中的帶電離子形成微電流并在不連續(xù)邊界處將會激發(fā)電磁波,與此相反的逆效應(yīng)亦存在[10]。由于TSEP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)是以炸藥爆破為震源，不管含水地質(zhì)體在隧道掌子面前方、四周及后方,都是以爆破點周圍為原點,地震波向周圍傳播,當遇到含水地質(zhì)體時都會產(chǎn)生震電信號;利用觀測信號的極性、時間和一定距離的多次觀測,可以分析含水地質(zhì)體的位置。震電效應(yīng)機理如圖3所示。

圖3 震電效應(yīng)機理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the mechanism of seismic effect

3 工程應(yīng)用情況

3.1 TSEP技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況

在ZK58+767～970里程內(nèi)共進行兩次TSEP超前地質(zhì)預(yù)報探測，第一次探測ZK58+767～870共113 m，第二次探測ZK58+870～970共100 m。兩次探測采樣率選擇62.5 ms檔，通過選擇采樣點數(shù)保證地震記錄長度不小于200 ms，激發(fā)方式采用斷線觸發(fā)方式，每孔裝藥量為100 g。

總體上地震縱波同相軸初至明確，橫波同相軸的幅度和頻率明顯區(qū)別于縱波，縱橫波同相軸的速度具有明顯差別而分離清晰，現(xiàn)場采集的地震波三分量記錄屬于優(yōu)良記錄?，F(xiàn)場探測施工情況如圖4所示。

里程ZK58+767～870區(qū)段共計有24個爆破孔，2個接收孔，成孔效果較好，探測成果如圖5、圖6所示。

里程ZK58+767～870區(qū)段共計有21個爆破孔，2個接收孔，成孔效果較好，探測成果如圖7、圖8所示。

圖4 現(xiàn)場探測施工情況Fig.4 Field detection construction drawing

圖5 二維成果圖Fig.5 2D results map

圖6 巖石波形Fig.6 Rock waveform

圖7 第二次探測二維成果圖Fig.7 Second detection of two-dimensional results

3.2 GPR技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況

GPR超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對不良地質(zhì)體的預(yù)報主要是通過地質(zhì)雷達系統(tǒng)將地下探測段的電性界面以圖形的形式反映出來，最后結(jié)合地勘資料、鉆探資料以及探測段掌子面情況對探測段地下的地址情況進行最真實的反應(yīng)。測線布置如圖9所示，探測現(xiàn)場如圖10所示。

圖8 第二次探測巖石波速圖Fig.8 Second detection of rock wave velocity map

圖9 測線布置Fig.9 line layout

圖10 地質(zhì)雷達測線布置及現(xiàn)場采集Fig.10 Geological radar line layout and site acquisition

在探測區(qū)段共進行了10次地質(zhì)雷達探測，每次布置兩根測線，測線長度設(shè)置為10 m、采樣時長設(shè)置為500 ns。地質(zhì)雷達探測成果如圖11所示。

3.3 兩種技術(shù)預(yù)報結(jié)果對比分析

根據(jù)收集到里程ZK58+767～970范圍內(nèi)實際開挖情況與預(yù)報情況進行分析，對比了區(qū)段內(nèi)巖體完整性、節(jié)理裂隙、巖層含水及巖溶發(fā)育情況。探測情況對比如表1所示。

掌子面節(jié)理裂隙、巖體斷層及破碎情況如圖12、圖13所示。

TSEP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對巖體完整性、巖層富水、巖溶及巖溶裂隙等地質(zhì)情況預(yù)報、誤報、漏報情況以及實際發(fā)育數(shù)量情況如表2～表4所示。

GPR超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對巖體完整性、巖層富水、巖溶及巖溶裂隙等地質(zhì)情況預(yù)報、誤報、漏報情況以及實際發(fā)育數(shù)量情況如表5～表7所示。

根據(jù)表2～表7對探測里程內(nèi)巖體情況、巖層富水及巖溶發(fā)育情況的分析得到兩種探測技術(shù)對巖層富水以及巖溶實際發(fā)育情況與預(yù)報情況對比結(jié)果，如圖14、圖15所示。

由圖14、圖15可以得到TSEP探測技術(shù)對巖體情況、富水情況及巖溶發(fā)育情況的定性判斷可行度較高,分別達到了80%、92%和94%；而GPR探測技術(shù)對巖體預(yù)報效果明顯劣于TSEP技術(shù)，定性判斷準確率為44%，對巖層富水及巖溶發(fā)育情況預(yù)報效果較好，分別為84%和100%。

圖11 地質(zhì)雷達探測成果Fig.11 Geological radar detection results

表1 探測情況對比

圖12 破碎的掌子面巖體Fig.12 Broken face rock mass

圖13 邊墻巖溶水涌出情況Fig.13 Side wall karst water gushing

表2 TSEP水體探測情況

表3 TSEP巖溶探測情況

表4 探測里程數(shù)量預(yù)報情況

表5 GPR水體探測情況

表6 GPR巖溶探測情況

表7 探測里程數(shù)量預(yù)報情況

圖14 TSEP探測情況占比Fig.14 TSEP detection ratio

圖15 GPR探測情況占比Fig.15 GPR detection ratio

4 結(jié)論

(1)TSEP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)傳承了地震波反射(tunnel seismic eletric prediction，TSP)多波三分量地震反射法技術(shù)的優(yōu)勢，有效預(yù)報范圍大，使用方便，對巖體、巖溶及水害的探測效果較好；地質(zhì)雷達對巖溶及水害探測效果較好但對巖體情況預(yù)報效果較差。

(2)施工中建議主要利用TSEP對施工區(qū)段全過程作超前地質(zhì)預(yù)報，對探測到的異常含水及巖溶發(fā)育區(qū)段利用地質(zhì)雷達進行進一步探測，更精確地定位其發(fā)育位置，更有效地指導(dǎo)施工。

(3)采用TSEP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)與GPR地質(zhì)雷達技術(shù)聯(lián)合預(yù)報的預(yù)報體系，可以改變原有聯(lián)合預(yù)報全過程預(yù)報的模式，減少預(yù)報工作量、降低預(yù)報成本，為同類型地質(zhì)條件工程超前探測提供了借鑒。